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[科普]航空发动机为何被发达国家垄断？一文带你看懂背后的世界格局[三]

现代工业皇冠上的明珠

 

航空发动机和地面燃气轮机被誉为现代工业的“皇冠”, 是国家综合实力的重要标志之一。提高航空发动机的性能就必须提升其关键部件——涡轮叶片的性能。涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“皇冠上的明珠”。涡轮叶片也称动叶片，是涡轮发动机中工作条件最恶劣的部件，又是最重要的转动部件。

先进航空发动机的燃气进口温度达1380℃，推力达226KN。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶片部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为280~560MPa，相应的叶身承受温度为650~980℃，叶根部分约为760℃。未来发动机叶片的铸造工艺直接决定了发动机的性能 ,也是一个国家航空工业水平的显著标志。

 

除了高温条件,热端叶片的工作环境还处在高压、高负荷、高震动、高腐蚀的极端状态, 因而要求叶片具有极高的综合性能,这就需要叶片采用特殊的合金材料(高温合金)，利用特殊的制造工艺(精密铸造加定向凝固)制成特殊的基体组织(单晶组织), 才能最大可能地满足需要。复杂单晶空心涡轮叶片已经成为当前高推重比发动机的核心技术,正是先进单晶合金材料的研究使用和双层壁超气冷单晶叶片制造技术的出现, 使单晶制备技术在当今最先进的军用和商用航空发动机发挥关键作用。目前, 单晶叶片不仅早已安装在所有先进航空发动机上，也越来也多地用在了重型燃气轮机上。

涡轮叶片制造技术
涡轮叶片的发展经历了细晶强化、定向凝固和铸造单晶三个阶段。

半个多世纪以来，涡轮叶片的承温能力从上世纪 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而镍基高温合金单晶叶片与定向凝固叶片相比可提高工作温度 25℃~50℃，而每提高 25℃从工作效率的角度来说就相当于提高叶片工作寿命 3 倍之多。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展所做出的共同贡献。

 


现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119 发动机涡轮前温度高达 1900~2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度，甚至会被熔化，无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比 10 一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能主要取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷。

单晶叶片的凝固缺陷
单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严格的发动机零件。制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模X 光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X 光检查、X 光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检等制造环节。除此之外，还必须完成涡轮叶片精铸模具设计和制造工作。

隶属于联合发动机公司（UEC）的“乌法发动机工业协会（JSC）”，这里正在制造航空发动机的涡轮叶片。

 

这里正在加工瓷土，将瓷土打碎，制作涡轮叶片的内芯。

 

这是加工前的瓷土。

 


工人正在将塑形后的瓷土模型逐个检查修形，这些做好的瓷土模型将首先烧结成熔融石英陶瓷芯。

 

涡轮喷气式发动机需要中空的涡轮叶片，只有高质量的陶瓷芯是失蜡法铸造的最好内芯材料，它能够在浇铸金属时依然能够保持稳定，在铸件冷却后有能通过化学工艺轻易溶解，在叶片中留下所需要的空气通道。

 


这是等待进行加工的瓷土模型，在外部包裹蜂蜡进行失蜡法铸造，才能得到涡轮叶片。瓷土模型可以制作成横截面非常小，而且在加工过程中变形小。

 

在这里工作的都是女性，细心而有耐心的女性才能胜任这里单调乏味，又特别需要认真负责态度的工作。

 

这些瓷土模型其实就是叶片中的空气通道，在发动机运转时，有空气在其中通过，从而冷却涡轮叶片保持工作稳定。

 


工人正在准备浇铸接口。

 

这些接口将安装二到四个叶片，这样浇铸熔融金属时可以提高效率。

 

工人正在给陶瓷芯包裹蜂蜡，蜂蜡的作用是在铸造范摸中形成空腔。

 

工人正在将蜂蜡叶片安装到浇铸接口上。

 


已经包裹了陶瓷芯的蜂蜡叶片。

粗壮的结构都是浇铸时的金属流道，叶片其实非常细小。

 

将叶片进行最后加工，这样熔融金属就可以将空腔充满，不会造成铸造砂眼。

 

加工好的铸造模型。

 


这里有很多类似的模型，生产不同规格的涡轮叶片。

 

下一步是将这些铸造模型包裹瓷土，制作陶范。

 

工人将铸造模型安装的一个旋转机械上。

 

用机械手在陶土液中旋转，使其均匀包裹住模型的任何部位。

 

这样才能算合格。

 

之后加入特殊风箱中，在外表喷淋瓷土，形成厚实的外壳。

 

操作机械的工人。

 

等待进行加工的铸造模型。

 

这是包裹陶土后的铸造模型。

 

这里进行风干。

 


精密铸造车间。

 

铸造模型在这里进行浇铸。

 

首先要进行加温，将铸造模型外部包裹的瓷土烧成陶瓷范模。

 

同时，将内部的蜂蜡排出，形成铸造空腔。
 


工人取出铸造范模。

 

然后这些范模将浇铸特殊合金溶液。

 

每种范模都要一种特别的熔炉进行加工。

 

这是一种大型部件的范模生产。

 

温度非常高。

 

最后，生产出的叶片还需要进行X光探伤。

 


每个叶片都要进行多角度探伤，防止出现任何瑕疵。

 

X光照片，可以看出叶片内部的空腔。

 

工人正在对X光照片进行检查。

 

整个涡轮叶片生产工艺非常繁复，完全超越了珠宝制造工业，而这仅仅是“工业皇冠上的钻石”――航空发动机制造的一小部分。

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